ENERGIA HIDRÁULICA

Energía hidráulica

Energía extraíble del agua, que puede transformarse en trabajo mecánico y posteriormente en energía eléctrica mediante la transformación de la energía cinética o potencial de los ríos. Puede aprovecharse tanto la conversión de la energía potencial en cinética cuando hay un un salto de agua desde un embalse o bien directamente la energía cinética de la corriente fluvial. La cantidad de energía extraíble depende del caudal fluvial, que, a su vez, está supeditado a la climatología y a la orografía. 

En los lugares donde sólo es posible emplear la energía cinética se construyen las denominadas centrales de agua corriente que, al carecer de embalse, no regulan la potencia, la cual debe adaptarse al caudal que posee el río, y funcionarán mientras su caudal sea suficiente para que las turbinas trabajen. Debido a esta limitación, los grupos de turbinas se miden para que puedan proporcionar la máxima potencia cuando el caudal del río es, a su vez, máximo. Así, se construye una pared para estrechar el ancho del río, de forma que aumente la velocidad del agua, que hace funcionar a mayor velocidad las turbinas. Las centrales que emplean este tipo de energía son de baja potencia.

Cuando se desea explotar también la energía potencial se construye un embalse que da lugar a las denominadas centrales de embalse. Para construir este tipo de centrales es necesario estudiar las cuencas de los ríos, con el fin de ubicar el embalse en las zonas más estrechas y profundas, para evitar en la medida de lo posible la evaporización, que causa bastantes pérdidas de agua. La central se sitúa aguas abajo del embalse y el líquido llega a ella mediante un puente subterráneo que conduce el agua turbinada. Estas centrales se pueden regular -de forma diaria, semanal, anual o hiperanual- en función de la cantidad de agua que almacenen.

Características principales.

La energía hidráulica presenta una gran versatilidad desde el punto de vista del seguimiento de carga y de la conversión energía-potencia, debido a que, una vez que se pone en funcionamiento, una central hidráulica puede alcanzar el 100% de su rendimiento en tan sólo unos segundos de tiempo, mientras que las centrales térmicas convencionales requieren varias horas. Ésto permite inyecciones bruscas de potencia, pues estas centrales se pueden arrancar y parar varias veces al día, lo que las hace muy útiles como centrales de punta, es decir, centrales empleadas para regular la frecuencia de la red eléctrica, inyectando bruscamente potencia al sistema.

Su coste de inversión es muy variable, pues depende de la altura del salto de agua, la situación de la central respecto a la presa, la orografía, la capacidad del embalse, la climatología, etc.

Es la energía de menor coste, puesto que, una vez construida, la central aprovecha recursos hidráulicos que no suponen coste alguno. Su explotación en España está llevada a cabo al máximo. El coste de combustible es prácticamente nulo, especialmente al compararla con otras fuentes de energía como el carbón o fuel-oil. Asimismo, sus costes de mantenimiento son especialmente bajos.

El hecho de que la cantidad de energía obtenida dependa drásticamente de la climatología obliga a países como España, donde la climatología es extrema, a tener fuentes alternativas a la hidroeléctrica, previstas en caso de que llegue un año hidráulico malo y la demanda de electricidad requerida no pueda responder.

Las centrales hidráulicas poseen muy poca versatilidad geográfica, pues se deben construir en aquellos lugares donde se den las condiciones orográficas oportunas. Esto incrementa el gasto en el transporte eléctrico y aumenta el número de redes eléctricas.

Sus instalaciones son más simples que las centrales térmicas, pues no tienen vapor a presión, ni altas temperaturas, ni excesivas medidas de seguridad. Tan sólo se exige el cumplimiento de ciertas normas de seguridad respecto a la obra civil, pero esto sucede también en el resto de las centrales, ya sean térmicas convencionales o nucleares.

Bajo el punto de vista medioambiental, al dejar de aportar agua a la zona donde se encuentran, producen un deterioro ecológico que puede ser pernicioso. Asimismo, la construcción de embalses obliga a anegar extensas zonas de terreno, con lo que cambia significativamente la orografía. También se moderan los ciclos de crecidas periódicas de los ríos, fundamentales para la supervivencia de ciertas especies vegetales.

Algunas centrales hidráulicas importantes.

Entre las centrales hidráulicas de mayor capacidad del mundo se encuentran la de Stornorrfords en Suecia, con una potencia de 130.000 kw; la de Grand Coulee en Estados Unidos, con 18 grupos y una potencia de 120.000 kw cada uno; la de Kuibichef en Rusia; la de Aldeadávila sobre el río Duero en la zona fronteriza entre España y Portugal, con una potencia total de 1.138 Mw; la del río Paraná, ubicada en la frontera entre Brasil y Paraguay. Y la de Asuán, en Egipto, con 1750 Mw.

Evolución histórica.

La explotación de energía hidráulica se ha realizado desde la Antigüedad, en la que se desarrollaron ingenios mecánicos, como la rueda hidráulica, con objeto de aumentar la producción de la molienda de grano en Egipto y Mesopotamia. La Rueda persa o saqiya, utilizada en Egipto durante el siglo II a.C., consiste en unos recipientes dispuestos alrededor de la circunferencia de la rueda. Ésta gira mediante energía humana o animal, y así se introducen los mencionados recipientes en el agua.

El molino de agua griego o escandinavo está considerado como el precursor de la turbina hidráulica inventada en el siglo XIX. Puesto que necesitaba cursos de agua rápida para funcionar, se piensa que su origen se ubica en las regiones montañosas de Oriente Próximo, aunque toma su nombre de los lugares donde se encontraron los restos: los países nórdicos y la zona griega. Su sistema de funcionamiento se basa en un eje vertical, cuyo extremo inferior constaba de una serie de cangilones, sumergidos en la corriente de agua. Estos molinos, pequeños y lentos, se emplearon en la molienda de grano y únicamente de forma local. 

La rueda vitruviana fue inventada por Vitruvio en el siglo I a.C., quien propuso un molino hidráulico de eje horizontal y rueda de cangilones vertical. Aunque los más antiguos molinos de este tipo funcionaban introduciendo la parte inferior de la rueda en la corriente de agua, de forma que la fuerza de ésta la hacía girar; con posterioridad se descubrió que era más eficiente mover la rueda desde arriba, es decir, dejar caer el agua sobre la parte superior de la rueda, de forma que ésta llenara los arcabuces sujetos en su circunferencia, con lo que el peso del agua haría girar a la rueda. Este tipo de molinos suministraban mayor energía que cualquier otro aparato de la época; así, con una rueda de un diámetro de dos metros se podían moler unos ciento ochenta kilos de grano por hora, lo que equivale a tres caballos de vapor en medidas actuales. Cabe decir que un molino, movido por dos hombres o por un asno, molía únicamente cinco kilos por hora. Su uso se generalizó en el Imperio romano en los siglos III y IV d.C.

La rueda hidráulica continuó su evolución; se fueron perfeccionando sus mecanismos y se extendió su uso. Durante la Alta Edad Media, la rueda hidráulica fue introducida por los germanos en las tierras eslavas al este del Elba. Durante la Baja Edad Media, en la Inglaterra del Domesday Book (1086), ya se molía el grano en unos seis mil molinos de agua. Como consecuencia, apareció una variante más: el molino flotante, que consiste en una rueda hidráulica ubicada entre dos barcas ancladas en el curso de una corriente rápida, en cada una de las cuales hay un molino. Fue ampliamente utilizado en Europa. Se sabe que en el siglo XI ya se usaban.

En la Europa medieval el uso de la rueda hidráulica se extendió a numerosos fines industriales; se utilizaba en serrerías, en la producción de pasta de papel, en la hilatura de seda, en los molinos de martinetes para trabajar el metal para mover fuelles de fundiciones. Influyó en la distribución geográfica de la industria; en la minería y la metalurgia se empleó para el bombeo, lo que posibilitó que las industrias del hierro construyeran mayores fuelles, alcanzaran mayores temperaturas, usaran mayores hornos y, por consiguiente, incrementaran la producción del hierro. La máquina trefiladora inventada por Rudolph de Nuremberg en 1400 se movía por energía hidráulica. Sus usos múltiples impulsaron el progreso de los sistemas de engranajes y de la maquinaria en general.

El desarrollo de la energía hidráulica, al igual que la eólica, alcanzó su apogeo en Europa durante el siglo XVII. No obstante, es difícil estimar qué porcentaje se aplicó a la producción. El mayor progreso técnico tuvo lugar en regiones con abundantes suministros de agua y viento. Cuando las industrias textiles alcanzaron un volumen significativo de producción en el siglo XVIII se debió a la fuerza motriz del agua; la turbina de agua de Fourneyron (1832) fue la primera fuente de energía que superó los pobres 5% o 10 % de eficacia de las primeras máquinas de vapor.

La principal debilidad de este sistema fue su irregularidad, pues al depender del viento y de las corrientes de agua fue una fuente de energía poco rentable en ciertas zonas, que siguieron dependiendo principalmente de la madera en la fabricación del vidrio y en la metalurgia, que produce muy poca potencia. Aunque los avances técnicos hicieron que esta irregularidad climática tuviera menor importancia, la dispersión de los centros de consumo de energía y la consiguiente extensión de las distancias en las que transportarla hicieron económicamente necesario un medio energético más regular, pues los paros y los retrasos en el suministro eran cada vez más costosos.

Aunque la energía hidráulica continuó utilizándose, pero en menor proporción debido a la aparición de la máquina de vapor, volvió a surgir en el siglo XIX de forma notable con la invención de la turbina hidráulica centrífuga por parte de Benôit Fourneyron, y ante una demanda cada día mayor de electricidad. Una de las primeras máquinas de este tipo operaba en saltos de agua superiores a los 100 metros de altura, pero como este tipo de saltos no eran frecuentes en Europa, esta turbina se vio desplazada por la de Jonval, de flujo axial, puesta en funcionamiento en 1843.

Otros tipos de turbinas fueron ideadas con mayor o menor fortuna, hasta que las de James Francis en 1838, Lester Pelton en 1870 y Kaplan en 1913 convirtieron a la rueda hidráulica en un instrumento tecnológico obsoleto.

En 1886, se comenzó a instalar, tras 16 años de estudios, la primera gran instalación hidroeléctrica en el Niágara, con una capacidad de 200.000 HP. Su funcionamiento se inició en el año 1895 y la compañía responsable, la Niágara Falls Company, empleó dos turbinas centrífugas de Fourneyron, que fueron después sustituidas por otras tipo Francis.

Aunque la generación de energía hidráulica en el mundo ha ido incrementándose con la aplicación de estas máquinas, actualmente ocupa el cuarto lugar en cuanto a fuentes de energía de producción de electricidad, pero, porcentualmente, ha disminuido en su utilización para la producción de energía eléctrica como consecuencia del desarrollo de la energía nuclear y las energías alternativas. No obstante, en muchos países sigue siendo la fuente de energía principal: en Noruega representa el 99%, en Zaire el 97%, en Brasil el 96% y en Canadá 62%.

RDN

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Bibliografía

DAVIS, C.V. Handbook of applied hydraulics. (McGraw-Hill, 1982).

DERRY, T.K. y WILLIAMS, T.I. Historia de la Tecnología. (Madrid: Siglo XXI de España Editores, 1980).

MUMFORD, LEWIS. Técnica y civilización. (Madrid: Alianza Editorial, 1994).

Enciclopedia Universal DVD ©Micronet S.A. 1995-2006